JP3403546B2

JP3403546B2 - パターン形成方法

Info

Publication number: JP3403546B2
Application number: JP11050395A
Authority: JP
Inventors: 実渡辺
Original assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Current assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Priority date: 1995-05-09
Filing date: 1995-05-09
Publication date: 2003-05-06
Anticipated expiration: 2018-05-06
Also published as: JPH08305036A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、パターン形成方法、特
に矩形なパターンを形成する方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、半導体の製造工程において、素子
や配線のパターン形成方法としてホトリソグラフィ技術
が用いられている。このレジストによるパターンの断面
形状は、エッチング後のパターン形状の影響から一般的
に矩形なパターンが望ましいとされている。現在、４Mb
DRAM 及び１６Mb DRAM 製造におけるホトリソグラフィ
工程では、一般的にノボラック系レジストが用いられ、
矩形なパターンを得るためにレジスト材料の光学定数の
調整や、基板表面からの光の乱反射低減のための下地基
板の平滑化、定在波の影響によるパターン側壁部のフリ
ンジを防止するための反射防止膜の適用など、主に光の
透過や反射に起因するレジストの光反応を制御すること
によってパターン形状の最適化を行ってきた。ノボラッ
ク系レジストは科学的に非常に安定であるために、光学
定数の最適化などによるパターン形成により、矩形なパ
ターンの形状を得ることが可能であった。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、最近で
はパターンの更なる微細化に伴い、エキシマ光やＥＢ
（Electron Beam)などを用いたリソグラフィが行われて
おり、これらのパターニングには主に酸発生剤を含有し
た化学増幅型レジストが用いられている。化学増幅型レ
ジストはエネルギー線照射によって発生した酸が、ポジ
レジストでは保護ポリマーの分解反応、ネガレジストで
はベースポリマーと架橋剤との架橋反応により、現像後
にパターン形成を行うが、ノボラック系レジストと異な
り、下地基板によっては光化学反応の制御のみでは矩形
なパターンを得ることが難しいという問題がある。

【０００４】図２（ａ）、（ｂ）は、従来の問題点を説
明するための図である。図２（ａ）、（ｂ）中の１はシ
リコンウェハー、２は反射防止膜としてのアモルファス
カーボンである。つまり、エネルギー線照射によって発
生した酸、あるいはPEB(Post ExposureBake) 時に連鎖
反応により増幅した酸が、下地基板表面への拡散や、基
板表面に存在するアミン基などのアルカリ性物質による
中和により失活し、矩形なパターン形状が得られない。
光学的な条件を最適化した場合でも、例えば、図２
（ａ）に示すように、化学増幅型ポジレジストを用いて
パターン形成を行った場合、パターン３のボトム部３ａ
が酸の失活により現像液に対して可溶化せず、パターン
の裾引き現象が起きる。そのため、この裾引きの部分だ
け下地基板がエッチングされずに、例えば、DRAMにおい
ては隣接するワードラインがショートすることもある。
また、図２（ｂ）に示すように、化学増幅型ネガレジス
トを用いた場合は、同様の原理によりパターン４のボト
ム部４ａでのくい込み現象が起こり、例えば、配線幅が
短くなり配線抵抗が大きくなって問題となる。基板上に
あらかじめ酸処理を施しておく方法が下記文献に開示さ
れているが、この方法では、基板上に酸の制御性に劣る
という問題点がある。文献；秋季応用物理学会、１９９
３年、M.Sasago他著、「ポジ型化学増幅レジストの基板
表面での挙動の研究」、Ｐ．５４７

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明のパターン形成方
法は、前記課題を解決するために、半導体基板上に酸を
トラップし易いアモルファスカーボンの薄膜を形成する
工程と、前記薄膜上に酸発生剤を含有したレジストを塗
布する工程と、前記レジストの全面に光、電子線などに
よりエネルギー照射して酸を発生させる工程と、光アッ
シングにより前記レジストを全て除去する工程と、前記
薄膜上に化学増幅型レジストを塗布する工程と、前記化
学増幅型レジストを選択的に（例えば、パターン形成用
マスクなどを用いて）エネルギー照射し、現像によりパ
ターンを形成する工程とを有している。

【０００６】

【作用】本発明によれば、以上のようにパターン形成方
法を構成したので、アモルファスカーボンの薄膜上に酸
発生剤を含有したレジストにエネルギー照射することに
よって、酸が発生する。この酸は、薄膜によってトラッ
プされる。化学増幅型レジストを選択的にエネルギー照
射することによって、酸が選択的に発生し、この酸と化
学増幅型レジストの成分とが反応して、溶解あるいは架
橋などが起こる。この時、アモルファスカーボンの薄膜
表面には酸が含まれているので、酸の失活がない。従っ
て、前記課題を解決できるのである。

【０００７】

【実施例】（第１の実施例）図１（ａ）〜（ｄ）は、本発明の第１の実施例のパター
ン形成方法を示す工程図である。本第１の実施例のパタ
ーン形成方法が従来のパターン形成方法と異なる点は、
酸を含有した化学増幅型のレジストの露光、ＰＥＢ処理
により下地に酸を浸みこませておき、その下地基板上に
パターンを形成するようにしたことである。以下、図１
（ａ）〜（ｄ）を参照しつつ、本発明の第１の実施例の
パターン形成方法の工程（１）〜（４）を説明する。

【０００８】（１）図１（ａ）の工程シリコンウェハー１１上に酸をトラップし易いアモルフ
ァスカーボン１２を薄く（例えば、１０〜１００ｎｍ）
形成し、下地基板とする。この薄膜１２上に酸発生剤を
含有した化学増幅型ポジレジストといった化学増幅型レ
ジスト１３を、例えば、５００〜１０００ｎｍの膜厚に
塗布する。次に、化学増幅型レジスト１３に露光光を全
面照射し、その後ＰＥＢ処理を行い、レジスト１３に含
有された酸発生剤から酸を発生、増幅させる。これによ
りレジスト１３の下地にも酸が拡散し、アモルファスカ
ーボン１２の薄膜により、酸がトラップされて、基板表
面中に酸が保持される。（２）図１（ｂ）の工程光アッシングにより、レジスト１３を除去すると、アモ
ルファスカーボン１４の薄膜の表面に酸を含有した基板
が得られる。この酸により、化学増幅型レジスト１３中
の酸発生剤から発生した酸の失活、及び酸濃度低下を補
うことが可能となる。さらに、アモルファスカーボン１
４の薄膜によって、露光時の反射が防止される。

【０００９】（３）図１（ｃ）の工程５００〜１０００ｎｍの膜厚の化学増幅型ポジレジスト
（例えば、和光純薬（株）製化学増幅型ポジレジスト
WKR-PT-1）、あるいは化学増幅型ネガレジスト（東京応
化工業（株）製化学増幅型ネガレジストTDR-N7）とい
った化学増幅型レジスト１５の塗布を行う。その後、パ
ターン形成用マスク１６を用いて、例えば、ＫｒＦエキ
シマ光により、露光を行った後、ＰＥＢ処理を行う。そ
れにより、化学増幅型レジスト１５に含有された酸発生
剤から酸が発生して、ポジレジストでは保護ポリマーの
分解反応、ネガレジストではベースポリマーと架橋剤と
の架橋反応が起きる。下地が酸を多く含むアモルファス
カーボン１４の薄膜であるため、酸の拡散、吸着は下地
方向には進まない。さらに、下地が酸を多く含むため、
酸発生剤より発生した酸が中和されることがない。つま
り、酸が失活するようなことはない。（４）図１（ｄ）の工程現像を行う。これにより、ポジレジストでは、露光部分
が除去され、ネガレジストでは、露光された領域が残存
して、パターン１７が形成される（図ではポジレジスト
の場合を示している）。この時、酸が失活しないため、
パターン１７の裾引き、あるいは食い込み現象がなくな
り、矩形なパターン１７を得ることができる。その後、
パターン１７をエッチングマスクとして、下地基板をパ
ターニングする。この時、パターン１７が矩形であるの
で、下地基板が正確にパターニングされる。

【００１０】以上説明したように、本第１の実施例によ
れば、以下の利点がある。（ａ）化学増幅型レジスト特有の基板上（例えば、ア
モルファスカーボン膜）における酸の失活によるパター
ン１７の裾引き、あるいはくい込みを防ぎ、矩形なパタ
ーン１７を得ることができる。つまり、基板にあらかじ
め酸を含有させておくことにより、露光、及びＰＥＢ時
によって発生、増幅した酸が失活することを防ぎ、パタ
ーンボトム部での下地基板からのパターン形状への影響
を低減できる。そのため、下地基板を所望の形にパター
ニングできて、配線などの信頼性が向上する。（ｂ）最初に塗布する酸発生剤を含有したレジスト１
３中の酸発生剤の量や種類、あるいは露光量やＰＥＢ炉
の温度、及び時間を調節することで、より精密で均一な
パターン形状制御が可能となる。

【００１１】（第２の実施例）図３（ａ）〜（ｄ）は、本発明の第２の実施例のパター
ン形成方法を示す工程図である。本第２の実施例のパタ
ーン形成方法が従来のパターン形成方法と異なる点は、
パターンが劣化しやすいレジストの下地に酸を含有させ
ておき、レジストの露光、ＰＥＢ処理の際に、その部位
に下地から酸を拡散することにより、パターンの劣化を
補正するようにしたことである。以下、図３（ａ）〜
（ｄ）を参照しつつ、本発明の第２の実施例のパターン
形成方法の工程（１）〜（４）を説明をする。

【００１２】（１）図３（ａ）の工程一般に、フィールド酸化膜の段差部などの段差部上下の
レジスト膜厚においては、段差部の上の方の膜厚が下の
方よりも薄くなり、膜厚の厚い方を基準に露光すると膜
厚の薄い所では反射光による影響により、また膜厚の薄
い方を基準にすると厚い方が露光され難くなりパターン
形状が劣化する。また、フォーカス位置変動（フォーカ
ス深度）に対する寸法変動（膜厚の差があるとフォーカ
ス深度によって露光に影響が出る）、あるいは異なる下
地基板上での光の反射率などの相違（反射率が高い程、
反射光によって余分な部分が露光される）などによって
もパターン形状が劣化する。ところで、このようなパタ
ーン形状の劣化部位及びその形状（裾引き劣化であるか
食い込み劣化であるか）は、経験的に、露光量、レジス
トの膜厚、下地基板などによって予め分かる。そこで、
劣化すると思われる部位（例えば、化学増幅型ポジレジ
ストを用いる場合には、裾引き劣化部、化学増幅型ネガ
レジストを用いる場合には、食い込み劣化部）を選択的
に露光するために補正用マスク３４を用意しておく。次
に、シリコンウェハー３１上に酸をトラップし易いアモ
ルファスカーボン３２の薄膜を形成して、酸発生剤を含
有した化学増幅型レジスト３３を塗布する。上述した所
望のパターンを有する補正用マスク３４を用いて露光、
ＰＥＢ処理を行い、基板中の薄膜３２の所望の位置（劣
化部）にのみ酸を拡散させる。

【００１３】（２）図３（ｂ）の工程光アッシングにより、レジスト３３を除去して、選択的
に酸が拡散された薄膜３５を露出する。これにより得ら
れた薄膜３５の表面には、露光エネルギーが照射された
部分には酸が拡散され、露光されていない部分には酸発
生剤からの酸は存在していない。（３）図３（ｃ）の工程薄膜３５上に化学増幅型ポジレジストまたは化学増幅型
ネガレジストといった化学増幅型レジスト３６を塗布し
（図中では、ボジレジストの場合を示す）、パターン形
成用マスク３７を用いて、露光及びＰＥＢ処理を行う。
この時、薄膜３５には選択的に酸が拡散されているの
で、その酸が真上の化学増幅型レジスト３６に拡散し
て、その部分が露光されたと同じ状態となり、化学増幅
型ポジレジストの場合には、裾引き劣化部、化学増幅型
ネガレジストの場合には、食い込み劣化部が補正される
ことになる。ただし、劣化部が露光されたと同じ状態に
するために、薄膜３５の表面に含ませる酸の濃度を、図
３（ａ）の工程において、酸発生剤の含有量、露光量、
ＰＥＢ温度などで調節しておく。

【００１４】（４）図３（ｄ）の工程化学増幅型レジスト（図中ではポジレジストの場合を示
す）３６の現像処理を行って、露光部分を除去して、パ
ターン３８を形成する。この時、パターン３８の裾引き
または食い込み劣化部を生じていた部分が補正され、パ
ターン３８が矩形となる。以上説明したように、本第２
の実施例によれば、基板表面の必要な部分のみに酸を予
め含有させておくため、選択的なパターン形状制御が可
能となる。（第３の実施例）図４（ａ）〜（ｄ）は、本第３の実施例のパターン形成
方法を示す工程図である。以下、図４（ａ）〜（ｄ）を
参照しつつ、本発明の第３の実施例のパターン形成方法
の工程（１）〜（４）を説明する。

【００１５】（１）図４（ａ）の工程シリコンウェハー４１上に下層レジスト４２としてノボ
ラックレジストを塗布し、２００°Ｃ程度の温度でベー
クする。次に、この下層レジスト４２上にアモルファス
カーボン４３を薄く形成して、酸発生剤を含有した化学
増幅型レジスト４４を塗布する。その後、パターン形成
用マスク４５を用いて、露光及びＰＥＢ処理を行う。（２）図４（ｂ）の工程光アッシングによりレジスト４４を除去して、表面に所
望のパターンの潜像を含んだ（酸を含有した）下地基板
のアモルファスカーボン４６の薄膜が得られる。（３）図４（ｃ）の工程Ｓｉ含有化学増幅型ポジレジストまたはＳｉ含有化学増
幅型ネガレジストといった化学増幅型レジスト（図中で
はポジレジストの場合を示す）４７を塗布し、基板全面
に露光によりレジスト４７が溶解（または、ネガレジス
トの場合は固化）しはじめるＥ_th値近傍の所望の露光量
で露光を行う。ここで、Ｅ_th近傍に露光量を設定したの
は、それよりも露光量が多いと酸が出過ぎて、酸の失活
が不十分となり、レジスト４７が余計に溶解（ネガレジ
ストの場合は固化）する恐れがあり、またそれよりも露
光量が少ないと酸の発生が不十分となり、十分にレジス
ト４７が除去（または、ネガレジストの場合は固化）で
きない恐れがあるからである。

【００１６】（４）図４（ｄ）の工程現像処理を行うと、予め酸がアモルファスカーボン４６
の薄膜の表面に存在していた部分は露光・現像によりパ
ターンは残らないが、酸が存在しなかった部分は基板表
面４８での酸の失活により、レジスト４７が残り、パタ
ーン４９が形成される（図中では、ポジレジストの場合
を示す）。但し、ネガレジストを用いた場合は、ポジレ
ジストの場合と全く逆の現象が生じる。次に、パターン
４９をマスクとして、酸素を用いた反応性イオンエッチ
ング（Ｏ₂ＲＩＥ）法により、アモルファスカーボン４
６の薄膜、下層レジスト４２をパターニングする。得ら
れるＳｉ含有パターンの厚みは非常に薄い（膜厚１〜１
０ｎｍ程度）ものであるが、酸素反応性エッチング耐性
が非常に高いため、エッチング後に所望のパターンを得
ることができる。以上説明したように、本第３の実施例
によれば、パターン４９をマスクとして、下層レジスト
４２を所望の矩形な形にパターニングすることができ
る。なお、本発明は、上記実施例に限定されず種々の変
形が可能である。その変形例としては、例えば次のよう
なものがある。

【００１７】（１）第１の実施例では、酸の失活に対
するパターン形状の劣化に対して、適用したが、これに
限らず、露光時のフォーカス位置の変動に対するパター
ン形状の劣化などのあらゆるパターン形状劣化に対して
適用できる。（２）第１〜第３の実施例では、予め基板表面に酸を
含有させておくための拡散方法として露光とＰＥＢ処理
を用いたが、どちらか一方のみでもよく、また光、熱以
外（例えば、Ｘ線、ＥＢなど）エネルギー線の照射によ
ってもよい。（３）第１〜第３の実施例では、パターン形成用マス
ク１６，３７，４５を用いた例を示したが、ＥＢによっ
て選択的に露光することもできる。（４）第２の実施例では、選択的にアモルファスカー
ボン３５の薄膜にトラップした酸を真上の化学増幅型レ
ジスト３６に拡散させることによって、劣化部を補正す
る例を示したが、ボジレジストの場合、反射光によって
食い込み劣化が生じる場合（ネガレジストの場合、反射
光によって裾引きの劣化が生じる場合）には、アモルフ
ァスカーボン３５の薄膜によって、この劣化部が失活す
るように酸を含ませることにより制御してもよい。それ
により、劣化部が補正される。（５）第２の実施例では、補正用マスク３４を用いず
に、ＥＢにより補正部位を照射してもよい。（６）第１と第２の実施例を組み合わせ、失活を防止
するための酸と補正するための酸をそれぞれ最適な濃度
で酸をアモルファスカーボンに含ませた下地基板を用意
しておいて、通常のパターンを形成することも可能であ
る。

【００１８】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、第１〜第５
の発明によれば、半導体基板上に酸を含むアモルファス
カーボンの薄膜を、酸を含有するレジストからの拡散に
より形成して、酸の失活を制御するようにしたので、パ
ターンの加工精度が向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例のパターン形成方法を示
す工程図である。

【図２】従来の問題点を示す図である。

【図３】本発明の第２の実施例のパターン形成方法を示
す工程図である。

【図４】本発明の第３の実施例のパターン形成方法を示
す工程図である。

【符号の説明】

１１，３１，４１シリコンウェハ
ー１２，１４，３２，３５，４３，４６アモルファスカ
ーボン１３，１５，３３，３６，４４，４７化学増幅型レジ
スト１６，３７，４５パターン形成用
マスク１７，３８，４９パターン３４補正用マスク４２下層レジスト

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩＨ０１Ｌ 21/027 Ｈ０１Ｌ 21/30 ５０２Ｒ (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G03F 7/26 G03F 7/38 G03F 7/11 G03F 7/004 H01L 21/027

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体基板上に酸をトラップし易いアモ
ルファスカーボンの薄膜を形成する工程と、前記薄膜上に酸発生剤を含有したレジストを塗布する工
程と、前記レジストの全面にエネルギー照射して酸を発生させ
る工程と、光アッシングにより前記レジストを全て除去する工程
と、前記薄膜上に化学増幅型レジストを塗布する工程と、前記化学増幅型レジストを選択的にエネルギー照射し、
現像によりパターンを形成する工程とを有することを特
徴とするパターン形成方法。
【請求項２】半導体基板上に酸をトラップし易いアモ
ルファスカーボンの薄膜を形成する工程と、前記薄膜上に酸発生剤を含有したレジストを塗布する工
程と、前記レジストを補正用マスクを用いて選択的にエネルギ
ー照射して、選択的に酸を発生する工程と、光アッシングにより前記レジストを全て除去する工程
と、前記薄膜上に化学増幅型レジストを塗布する工程と、前記化学増幅型レジストを選択的にエネルギー照射し
て、現像によりパターンを形成する工程とを有すること
を特徴とするパターン形成方法。
【請求項３】半導体基板上に酸をトラップし易いアモ
ルファスカーボンの薄膜を形成する工程と、前記薄膜上に酸発生剤を含有したレジストを塗布する工
程と、前記レジストを選択的にエネルギー照射して、前記薄膜
表面に酸を選択的に保持させ潜像を形成する工程と、光アッシングにより前記レジストを全て除去する工程
と、前記薄膜上に化学増幅型レジストを塗布する工程と、露光により前記化学増幅型レジストが溶解または固化し
はじめる閾値近傍の所望の露光量で、前記化学増幅型レ
ジストの全面にエネルギー照射して前記化学増幅型レジ
スト中に酸を発生させ、その酸を選択的に前記薄膜によ
り失活させる工程と、前記化学増幅型レジストを現像してパターンを形成する
工程とを有することを特徴とするパターン形成方法。
【請求項４】前記化学増幅型レジストは、シリコンを
含有することを特徴とする請求項３記載のパターン形成
方法。
【請求項５】前記薄膜の下層は、下層レジストであ
り、酸素反応性イオンエッチングにより、前記下層レジスト
をパターニングすることを特徴とする請求項４記載のパ
ターン形成方法。